为实现“零碳”排放殚精竭虑的电力理论先行者（何光宇）

为实现“零碳”排放殚精竭虑的电力理论先行者

——记上海交通大学博士生导师何光宇教授

2015年,巴黎气候变化大会通过了《巴黎气候变化协定》,意味着全球各国人民将齐心协力,为保护地球而同呼吸、共命运。2016年,我国正式加入《巴黎协定》,成为完成了批准协定的缔约方之一,将与其它缔约方一道,引领世界迈向低碳可持续发展的光辉未来。

随后,我国出台了多项具体的战略规划和可行性措施,明确提出了阶段性减碳计划,将低碳能源革命定义为“十三五”规划的重要目标,并在多方面、多领域积极寻求减低碳排放、发展低碳经济之路。在能源发展方面,在新形势的引导下,充满了新问题与新机遇,为了响应党的十九届四中全会提出的“推进能源革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系”,各大专业院校的教师们也在自己的研究领域百舸争流,并且获取了不俗的成就。

上海交通大学的何光宇教授就是其中的佼佼者,近五年来,他主持了国家重点研发计划《自趋优虚拟电厂驱动零碳能源系统的关键技术与示范应用》,首次提出了自趋优虚拟电厂的概念与、理论和技术;主持了国家自然科学基金项目《促进高比例新能源消纳的大规模需求响应机制与机理研究》,系统研究并提出了负荷准线理论、机理、机制和方法;主持了国家自然科学基金项目《智能电网长中短期能源优化调度基础研究》,研究了用户侧分布式能源资源统一建模及其参与电力系统优化运行方法……而令何光宇更为自豪的,却是其在零碳方面所取得的系列理论成果。

审时度势,挖掘零碳新思路

随着人类对环境和气候重视程度的提升,零碳的概念逐渐成为热门。所谓零碳,是指人类生产生活所产生的碳排放可以完全由自然界中和,实现净零碳,意味着人类的活动将不会对环境造成新的负担。零碳是低碳的极致形式和最终目标,也是人类社会发展的终极要求,是我国国家战略的重要组成部分。

在现代社会的能源系统中,电力是最重要的二次能源,以新能源发电为主导的电力系统将成为未来零碳能源系统最重要的内核。然而,大规模新能源并网给电力系统的运行带来巨大挑战,也因此产生了大量的、不可避免的新能源弃电。据有关资料统计,2019年,新疆弃风率高达17%、弃风电量42.4亿千瓦时;甘肃弃风率10.1%、弃风电量13.3亿千瓦时,新能源主导电力系统任重道远。从电力系统运行与供需平衡分析,风电、光伏等绿色发电已成为电能的主要来源,但其发电能力取决于环境变化,难受人为控制;传统的燃煤机组调节性能强,但碳排量高、经济性低,在零碳能源系统中将大幅停用。

何光宇在研究中意识到,虽然表面上我国的电力系统已经得到长足发展,但面对新形势的凌厉要求,电力系统灵活调节资源极度匮乏,无法平衡新能源的间歇性、随机性波动,如不从根本上加以解决,将从源头上阻碍零碳能源系统的实现。而在需求侧,电动汽车、空调、热水器、工业流水线等分布式资源所具备巨大的灵活性潜力未被挖掘和利用,如果能够充分挖掘设备个体的灵活性,并进一步协同利用聚合群体的灵活性,组成虚拟电厂,输出外部所需的电力调节服务,可为新能源的消纳提供巨大帮助,将成为未来零碳能源系统中最灵活、最经济、最能大规模推广的电力调节资源。

多方面的技术输入让何光宇茅塞顿开,他开始带领团队进入到全新领域的理论建设,并且审时度势地提出了自趋优虚拟电厂的设想。何光宇认为,自趋优虚拟电厂是多元异构的分布式资源自下而上地自组织聚合并不断生长而形成的一种复杂网络,可结合外部需求和内部约束,充分挖掘、协调分布式资源的灵活性,响应电力调节需求,为能源系统的运行提供驱动力。自趋优虚拟电厂中,分布式资源个体可在快速变化的环境中自主地、自发地调节运行方式,实现设备个体趋优与系统整体趋优的相容与一致,确保整个虚拟电厂运行状态始终满足安全、优质、经济、低碳的多指标评价标准。自趋优虚拟电厂是实现海量分布式资源灵活性挖掘与协同的最佳形式,是零碳能源系统必不可少的驱动力。

屡次创新,拓展理论新高地

理论是指导实践的基础,也是科研项目取得成果重要的一环。为了证明自己的设想,何光宇带领团队,开始对理论层面进行突破,经过不懈努力,团队以多项理论成果获得了业内专家人士的认可,从而占领了理论新高地,为今后建设示范工程,探寻虚拟电厂落地应用奠定了强有力的基础。

何光宇带领团队,秉承以终为始的理念,提出了基于负荷准线的大规模需求响应(Demand Response,DR)机制。负荷准线是电力部门给定的一条标准化的理想负荷曲线,在DR中作为用户调整自身负荷的目标。何光宇决定考虑刚性负荷除去新能源发电后的净负荷曲线,取其标准化得到曲线形状,并将其反相,形成一条可平衡净负荷波动的理想曲线作为负荷准线。当广大用户良好地响应了这条负荷准线,也就实现了系统最理想的运行方式。当前,电力系统正快速迈向高比例新能源时代,甚至实现100%新能源,发电侧的可调节资源将极度匮乏,DR将是重要的灵活性资源。基于负荷准线,DR将可以常态化地让全民方便地参与,为电力系统带来亟需的灵活性资源。

随着可再生能源发电技术的快速发展,传统发电机组逐渐被新能源机组替代,系统备用愈发短缺,调频性能弱化。目前,国内电网主要通过增加火电机组开机台数,留取大量事故备用(10%～30%),避免暂态电压失稳。然而,该方案导致系统最大供电能力大打折扣,并且部分火电机组长期处于低负载率运行,经济性较差,不利于资源优化配置。为了解决传统集中式事故备用方案存在的诸多问题,何光宇带领团队原创性提出事故备用分散转移(DTCR)的概念、基础理论、关键技术和实现方法。DTCR是指将原本集中在发电侧和电网侧的部分事故备用向用电侧分散转移,DTCR研究将建立包括用电侧在内的电力系统全域范围事故备用新理论,形成新的学科增长点。团队提出了海量负荷规模化应用后快速协同控制方法,可为电力系统提供分布式、精细化、低成本、大范围的事故备用,从而显著提升电力系统运行安全经济水平。

随着虚拟电厂概念的提出,传统电力能源系统的控制边界已拓宽到广域的需求侧,高效协同网络中海量的自治系统参与能源系统的调节,是提升新能源消纳能力、促进减碳减排、有效驱动零碳能源系统的关键科学问题。团队在负荷准线的研究基础之上,进一步开展了自趋优虚拟电厂的相关科学问题,包括其概念、模型、运营机制、优化控制,以及基于数字孪生的超大规模虚拟电厂镜像仿真平台。该研究一方面契合了当前我国大力建设能源互联网的目标,同时也有望实现高比例新能源消纳的零边际成本消纳。从理论与关键技术来看,负荷准线的概念正是自趋优虚拟电厂运行的支撑,良好追踪负荷准线的虚拟电厂是未来高比例新能源电力系统最高效的柔性调节资源。为使虚拟电厂系统具备高容错、高扩展、高维护能力,团队以自律分散理论为基础,提出了基于边缘计算的自趋优虚拟电厂信息物理系统构建方法;基于压缩感知理论的分布式资源数据量测、压缩及通讯方法;基于泛在电力物联网的实时量测反馈信息,研究了一套兼顾经济性、鲁棒性,同时满足自趋优控制要求,可长效追踪最优运行点轨迹的在线优化算法,并应用于自治的虚拟电厂协同控制。

只争朝夕,引领团队新目标

长期在科研一线奋斗的何光宇知道,为了获取更有效果的科研成果,只能和时间赛跑,在人力有限的情况下,何光宇并没有丝毫犹豫,他带领自己的智能用电与调度团队,立足高校和企业一线深入研究,围绕“建设具有自趋优运行能力的智能电力系统”展开工作,并集中于智能电力系统与智能电网、自趋优智能调度、先进状态估计、智能用电网络等方面的研究,致力于贯通海量的电力用户及其用电设备,搭建人与物、物与物之间的桥梁,赋能广域的电力需求侧,以期将分布式能源资源引入到电力系统运行与控制中,实现电力供给与需求的全面优化。近年来,何光宇团队提出了“智能用电网络”的理念、理论与技术,以期将分布式能源资源引入到电力系统运行与控制中,实现电力供给与需求的全面优化。团队在基于自律分散系统的智能用电网络研发、电器状态感知与用户行为画像、促进高比例新能源消纳的负荷准线机制、事故备用分散转移、自趋优虚拟电厂构建与运行技术等研究方向中取得了一系列理论和实践成果。何光宇也获得上海市科技进步奖、海南省科技进步奖、北京市科技进步奖、内蒙古自治区科技进步奖、中国电力科技进步奖等省部级科技进步奖10项,获发明专利40多项,发表SCI、EI收录论文一百余篇。

虽然何光宇在自趋优虚拟电厂方面已经获得了众多理论成果,但距离其真正设想还有一定的距离。何光宇给团队制定的终极任务是自趋优虚拟电厂示范建设与实证分析,建立自趋优虚拟电厂商业运营平台,成立分布式资源商业综合体绿色园区,建设运行工业型虚拟电厂示范项目,形成可推广复制的蓝本,最终帮助我国在能源标准制定、关键技术产品研制、创新商业模式探索等方面赢得国际领先地位;同时也能有针对性地向其它国家输出先进的技术与产品,助力“一带一路”战略。为了实现自己的这个“小”目标,何光宇将在理论知识指导下,拓步向前,让实践之光照射前方。